Геотермика

Геотермика, геотермия (от гео… и греч.(греческий) therme — тепло), раздел физики Земли, изучающий тепловое состояние и тепловую историю земных недр. Солнечное тепло проникает только в самые верхние слои земной коры. Суточные колебания температуры почвы распространяются на глубину 1,2—1,5 м, годовые на 10—20 м. Далее теплота, связанная с солнечным излучением, не проникает, однако с увеличением глубины установлен закономерный рост температуры (см. Геотермический градиент), что свидетельствует о существовании источников теплоты внутри Земли. Тепловой поток непрерывно поступает из недр к поверхности Земли и рассеивается в окружающем пространстве. Плотность теплового потока определяется произведением геотермического градиента на коэффициент теплопроводности. Значительная часть теплового потока составляет радиогенная теплота, т. е. теплота, выделяемая при распаде радиоактивных элементов, содержащихся в Земле.

  Непосредственное измерение температуры недр в пределах суши производится в шахтах и буровых скважинах электротермометрами; для измерений на морском дне употребляют термоградиентографы. Теплопроводность горных пород определяется на основании изучения образцов в лабораториях. Измерения показывают, что изменение температуры с глубиной в разных местах колеблется от 0,006 до 0,15 град/м. Плотность теплового потока более постоянна и тесно связана с тектоническим строением. Она очень редко выходит за пределы 0,025—0,1 вт/м² (0,6—2,4 мккал/см²(сек), отдельные значения доходят до 0,3 вт/м² (8 мккал/см²(сек). Для докембрийских кристаллических щитов характерны малые значения [до 0,04 вт/м² (0,9 мккал/см²(сек)], для платформ — средние [0,05—0,06 вт/м² (1,1—1,5 мккал/см²(сек)], для тектонически активных областей (срединноокеанические хребты, рифты, области современного орогенеза) — повышенные значения [0,07—0,16 вт/м² (1,7—2,6 мккал/см²(сек)]. В среднем и для океанов, и для материков, и для Земли в целом получаются одинаковые значения [около 0,05 вт/м² (1,2 мккал/см²(сек)], однако эта цифра не очень надёжна, т.к. большая часть поверхности Земли ещё не обследована.

  Непосредственное измерение температуры в Земле возможно только до глубины нескольких км. Далее температуру оценивают косвенно, по температуре лав вулканов и по некоторым геофизическим данным. Глубже 400 км определяются лишь вероятные пределы температуры. При этом учитывается, что в Гутенберга слое температура близка к точке плавления, а глубже температура плавления повышается (благодаря росту давления) быстрее, чем фактическая температура, и у границы ядра Земли вещество недр остаётся твёрдым, хотя ядро (кроме субъядра) расплавлено. Вероятны следующие пределы температур на разных глубинах:

  Таким образом, геотермический градиент с глубиной сильно уменьшается. Мощность всего теплового потока, идущего из Земли, около 2,5·10¹³ вт, что примерно в 30 раз больше мощности всех электростанций мира, но в 4 тыс. раз меньше количества теплоты, получаемой Землёй от Солнца. Поэтому теплота, поступающая из недр Земли, не влияет на климат.

  Для выяснения тепловой истории Земли необходимы данные о первоначальном содержании радиоактивных элементов в различных оболочках Земли, о их перемещении из одной геосферы в другую, об энергии и темпах их распада, возрасте Земли, о количестве теплоты, полученном планетой в процессе её образования, данные о количестве теплоты, выделяемой и поглощаемой при различных механических, физических и химических процессах в недрах Земли. Должны быть учтены также: различные коэффициенты теплопроводности и удельной теплоёмкости вещества земных недр, температуры и давления на разных глубинах и на поверхности Земли.

  Расчётные данные позволяют нарисовать такую картину тепловой истории Земли. Сразу после образования планеты из роя метеорных тел температура её недр была, вероятно, 700—2000°С. Расчёты для Земли с силикатным ядром показывают, что она никогда не была расплавленной, кроме ядра и, быть может, слоя Гутенберга. Глубокие недра Земли медленно нагреваются (на несколько градусов за 10⁷ лет), а верхние слои её (несколько сот километров) ещё медленнее остывают.

  Геотермические исследования имеют большое теоретическое значение для разных наук о Земле. В частности, велика их роль в построении и оценке тектонических гипотез. Так, например, данные Г. приходят в противоречие с гипотезой тепловой контракции (см. Контракционная гипотеза) и некоторыми другими гипотезами, которые предполагают, что выходы теплоты из Земли гораздо больше наблюдаемых. Геотермические измерения используются и для практических целей. Они помогают в разведке нефти и других полезных ископаемых, в подготовке к использованию внутреннего тепла Земли для промышленных и бытовых целей.

  Лит.: Геотермические исследования. [Сб. ст.], М., 1964; Магницкий В. А., Внутреннее строение и физика Земли, [М.], 1965; Геотермические исследования и использование тепла Земли, [Труды 2-го совещания по геотермическим исследованиям в СССР], М., 1966; Любимова Е. А., Термика Земли и Луны, М., 1968; Вакин Е. А., Поляк Б. Г., Сугробов В. М., Основные проблемы геотермии вулканических областей, в сборнике: Вулканизм, гидротермы и глубины Земли, Петропавловск-Камчатский, 1969.

  Е. А. Любимова, И. М. Кутасов, Е. Н. Люстих.